第一章_生物反应器
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第1章(4学时) 生物反应器
Taiyuan teachers college Zhang Xiaohong
生物反应器
♣ 慨 述
(1) 流体的输送及混合．其核心问题是流体 之间动量的传递、机械能的转化。
(2) 热量的传递。对于生物反应器要考虑代 谢热的传出以及代谢罐温度的控制。所用的手 段多采用间壁的传热，其传热量大小决定于冷 热两流体的温度差及其接触面积的大小。
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生物反应器
3.动物细胞或植物细胞进行离体大规模培养反应器
近年来随着生物科学的一系列新的突破，人们巳开始利用动物细胞 或植物细胞进行离体大规模培养，以获得大量的分泌产物。 动植物细胞培养所用的生物反应器与前面所介绍的生物反应器(用于 微生物细胞焙养的)基本是一样的。但由于高等细胞比较娇嫩，对培养 条件要求更高一些，因而在选用及设计生物反应器时要特别考虑以下 几点。 1）避免或减低由于机械搅拌而产生的剪切力对细胞的损伤。 2）气泡的表面张力可对细胞造成伤害，在通气时要防止气泡与细胞 接触。 3）在进行pH值调节或补料时要严格防止化学环境的急剧变化对细胞 的伤害。如不能用酸碱直接加入的方式调节pH值，应以改变CO2/O2／N 的比例为主进行调节。 根据这样一些考虑已有悬浮培养或中空纤维细胞培养等不同类型的反 应器。 Taiyuan teachers college Zhang Xiaohong
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生物反应器
这仲发酵罐根据其特点叫做机械搅拌罐，有人包叫它常规 发酵罐，是目前使用最多的一种，适用性好、适应性强， 从小型、中型到大型的细胞培养过程都可以用，放大容易， 缺点： 罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细 胞培养过程减产。 改进： 多级搅拌装置---有利于混合高黏度介质，抗生素生产中菌 丝体发酵。 多级搅拌+底部筛板 ---塔式反应器—耗能大，用于特殊场 合，如油-水乳化。 数个搅拌罐串连使用---仅用于连续操作-----管式反应器 的替代物。
生物反应器
3、产物生成动力学模型
产物主要指的是细胞培养过程中代谢生 产物主要指的是细胞培养过程中代谢生 成的除细胞量以外的产品。 成的除细胞量以外的产品。 按照其生成特点，产物可分为两类：生 按照其生成特点，产物可分为两类： 两类 长偶联型及非生长偶联型。 长偶联型及非生长偶联型。 这两者的区别在于前者的生成只是在细 两者的区别在于前者的生成只是在细 在于前者 胞生长时才能生成， 后者则只要有细胞 胞生长时才能生成，而后者则只要有细胞 存在就能生成。 存在就能生成。
⑸细胞生长的特点及细胞群体的描述
细胞的生长、代谢是一个复杂的生物化学过程 与一般的化学过程不同，这个反应体系的特点 是，它是一种多相、多组分、非线性的体系。 细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命 活动，通常每毫升培养液中含104-108个细胞。 而且，像任何有生命的东西一样，细胞也经历 着新生、成长、成熟直至衰老的过程，在其生 命的循环中，也存在退化与变异的问题。
细胞群体进行简化假设
是否考虑细胞内部复杂的结构 是否考虑细胞之间的差别
4种模型
非结构模型 （最理想情况） 非离散模型 把细胞群体处理 为一种溶质 均衡生长（假设） 结构模型 细胞之间无差异， 细胞内有多个组分 （结构）
“平均细胞”近似 平均细胞” 平均细胞 不考虑细胞结 构，但各种细 胞不均一 “平均细胞”近似 平均细胞” 平均细胞 均衡生长（假设） 细胞之间不均一， 细胞内部多组分 （实际情况）
4、微生物细胞培养的特殊条件
微生物多为单细胞生物，野生生存条件比较简单。 微生物多为单细胞生物，野生生存条件比较简单。 所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多。 其中厌氧微生物培养比好氧微生物复杂。 微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻， 微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻 玉米浆、蛋白胨、麦芽汁、酵母膏等成为良好的微 生物天然培养基。
生物反应器操作规程
生物反应器操作规程第一章总则生物反应器是生物工程中常用的设备，用于培养和控制微生物、细胞或酶等生物体系进行生物转化或生物合成反应。
为了保证生物反应器的正常运行，提高生产效率，特制定此操作规程。
第二章设备准备1. 检查生物反应器设备的完好性，确保各个部件没有损坏或异物；2. 检查反应釜、搅拌器、温控系统等部件是否正常运转；3. 准备所需的培养基、生物体系、调理液等实验物品。
第三章操作流程1. 打开生物反应器的电源开关，启动设备；2. 设置所需的温度、压力、搅拌速度等操作参数；3. 向反应釜中加入适量的培养基，等待培养基温度升至设定温度；4. 加入生物体系或细胞，注意避免空气接触；5. 启动搅拌器进行充分混合；6. 在反应过程中根据需要逐步加入调理液或其他试剂；7. 定时监测反应器内参数，并做好记录。
第四章清洗消毒1. 反应结束后，关闭生物反应器的电源开关；2. 停止搅拌器和冷却系统，排空反应釜中的废液；3. 用适量的清洗液对反应器进行彻底清洗，确保没有残留；4. 使用消毒液进行消毒处理，保证反应器内无细菌残留；5. 反应器彻底干燥后，进行下一批实验前的准备工作。
第五章注意事项1. 操作过程中要注意安全，避免发生事故；2. 必须按照操作规程正确操作，不能私自更改参数；3. 反应器设备要定期保养和检修，确保设备正常运行；4. 反应器内部应保持清洁，避免影响后续实验。
第六章结语生物反应器操作规程的制定是为了保障实验的准确性和安全性，本规程适用于各类生物反应器的操作，并应严格执行。
希望大家能够熟练掌握操作技巧，规范操作流程，提高实验效率和成果质量。
《生物反应器》课件
。
新药研发中的应用实例
01
药物筛选
利用生物反应器进行药物筛选， 寻找具有药效的化合物或微生物 。
药物合成
02
03
药物改造
通过生物反应器合成药物，如蛋 白质、多糖等，提高药物的生产 效率和纯度。
利用生物反应器对药物进行改造 ，如蛋白质工程、基因工程等， 提高药物的疗效和安全性。
05
生物反应器的发展趋势与挑战
生产成本
生物反应器的生产成本较高，需要采取有效措施降低成本，提高经济 效益。
人才短缺
生物反应器技术的发展需要大量的专业人才和技术工人，但目前市场 上相关人才短缺，制约了产业的发展。
生物反应器的未来展望
广泛应用
随着生物技术的不断发展和 应用领域的扩大，生物反应 器将在医药、食品、化工等 领域得到更广泛的应用。
生物反应器应能高效地进行生物反应，确保 高转化率和产物浓度。
适应性原则
生物反应器应能适应不同的生物反应需求， 具备灵活性和可扩展性。
稳定性原则
生物反应器应具备稳定的操作性能，保证反 应的连续性和可靠性。
易于维护原则
生物反应器应便于清洁、维修和保养，降低 运营成本。
生物反应器的优化目标
提高转化率
通过优化反应条件和操作参数，提高生物反 应的效率。
THANKS
感谢观看
01
温度
维持适宜的温度，保证微生物的正 常生长和代谢。
溶解氧
维持适宜的溶解氧浓度，以满足微 生物的需氧需求。
03
02
pH值
维持适宜的pH值，保证微生物的正 常生长和代谢。
底物浓度
控制底物浓度，以调节微生物的生 长和产物生成。
04
生物反应器的效率评估
第一章 生物反应器
研究生物反应器的目的：
① 确定所需生物反应器大小和结构 ② 优化已有生物反应器 ③ 更好的了解细胞生长、代谢过程，生产效 益最大化 生物反应器是生物学和化工科学的交叉，许 多方法需应用化学工程的知识。如 流体传输与混合；物质传递；热量传递等
第二节 细胞生长代谢动力学
生物反应过程
由生物工程所引出的生产过程
细胞群体模型
非结构模型不考虑细胞内部结构，每个细 胞之间无差别，细胞群体作为一种溶质； 结构模型是指每个细胞之间无差别，细胞 内部有多个组分存在； 一般的微生物生长动力学模型认为细胞为 单一组分，在这种理想状况下建立的动力 学模型称为非结构模型。由于细胞组成是 复杂的，当微生物细胞内部的蛋白质、脂 肪、碳水化合物、核酸、维生素等含量随 环境条件的变化而变化时，建立起的动力 学模型称为结构模型。
3、产物生成的动力学模型 产物指细胞培养过程中代谢生成的除细胞量以外的 物质。 据其特点分为： 1）、生长藕联型 产物只在细胞生长时才能生成。 2）、非生长藕联型 产物与细胞同时存在。如抗生 素和毒素。 3）混合生长藕联型 既与生长有关也与菌量有关。
4、均衡生长动力学模型
培养过程中基质的消耗、细菌生长及产物的增加互相影响， 交织在一起。故细胞培养整体的动力学模型是他们的微 分方程的联立的结果，已知初始条件即可用合适的数学 方程组求解与分析。 一般尽量采用简化的数学模型。通过代谢曲线分析与菌体 形态观察，提出一些假设，建立数学模型，采集实验数 据求解模型中个参数值，最后用初始条件、参数值和限 制性条件等计算出过程曲线。判断曲线与实验点的符合 程度或可靠性。 如P7青霉素的发酵动力学模型计算。
第三节 生物反应器的基本类型与设计
一、生物反应器的特点和分类
生物反应与一般的化学反应器相似，对生物反应器也要求 能维持一定的温度、pH、反应物（营养物质，包括溶解氧） 浓度，并具有良好的传质、传热和混合性能，以提供合适 的环境条件，确保生物反应的顺利进行。 与一般的化学反应明显不同的是，细胞生物反应器在运行 中要杜绝外界各种微生物的进入，避免杂菌污染造成的损 失。 最简单的反应器是没有机械搅拌和通气系统的反应罐，适 合液相、厌氧催熟型操作，如酿造。
生物反应器ppt课件
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37
技术参数：
标准配置：
1、罐体系统：
罐体全容积：5L；工作容积：2~4L
罐体材质：硼硅玻璃+316L不锈钢；罐盖材质： 316L不锈钢
罐体设计压力：0.1Mpa；夹套设计压力： 0.25Mpa
罐盖结构：标准温度、PH、 DO 传感器插口各1 个；标准泡沫电极插口1个；通用补料接口2个； 接种口1个；排气口1个；取样管口1个
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发酵罐 发酵罐若
根据其使用对象区分， 可有：嫌气发酵罐、好 气发酵罐、污水生物处 理装置等。
其中嫌气发酵罐最为
简单，生产中不必导入 空气，仅为立式或卧式 的筒形容器，可借发酵 中产生的二氧化碳搅拌 液体。（见彩图）
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36
产品名称：5L离位灭菌自动台式发酵罐 型 号： SY-3005QB
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8
3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
10
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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11
常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
产生的（开始时需接入菌种），为防止杂菌污染和活 性衰退，一般采用分批釜式反应器；
生物反应器原理
一个新生物反应过程的开发。
最初阶段是认识与发现新的生物反应，
然后才进入工程阶段，在工程阶段中，开发工 作者首先遇到的是生物反应器的选型，确定 选型后，进入操作条件的选择和反应器的工 程设计。
生物反应过程与化学过程的本质区别在于有生 化催化剂参与反应。
本课程，通过生物反应过程分析和生物反应器 的选型与设计,阐明细胞反应过程的动力学规
为了了解生物反应器的基本原理，有必要了解 ：
1.生物反应体系的流变学特性，氧传递与微生 物呼吸，体积溶氧系数与相关因素，溶氧方 程与溶氧速率的调节。
2.酶反应器及其设计，机械搅拌式发酵罐及其 设计，气升式生化反应器设计，生物废水处 理设备及动植物细胞培养用反应器等。
3.分批式，流加式，连续式操作，以及动植物 细胞培养技术等。
延迟期的长短与种子的种龄及接种量的大小有 关。年轻的种子产生的延迟期较短，而种龄 较老的种子需要较长的延迟期。
B指数生长期
在这一阶段中，由于培养基中的营养物质比较充 足，有害代谢物很少。所以，细胞的生长相对 不受到限制，细胞浓度随培养时间指数增长， 称为指数生长期，也称为对数期。
3.因原料是农副产品,所以受价格变动影响大.
4.生产前的准备工作(开发新菌种,扩大培养等)量 大,且花费高.对于好氧反应,需氧,故增加了生产 成本,且氧的利用率不高.
5.一般的,废水需进行处理.
微生物反应过程的质量与能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应与化学反应的主要区别是:微生物
反应中参与反应的培养基成分多,反应途径 复杂.
课程简介：
生物反应器的型式
生物反应器主要有三种类型：间歇式、半连续式 （流加）、连续式反应器。连续反应器进而又 可分为连续搅拌罐反应器（CSTR）和活塞流 反应器（PFR).
第一章_生物反应器.
细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命 活动，通常每毫升培养液中含104-108个细胞。 而且，像任何有生命的东西一样，细胞也经历 着新生、成长、成熟直至衰老的过程，在其生 命的循环中，也存在退化与变异的问题。
细胞群体进行简化假设
是否考虑细胞内部复杂的结构
是否考非理想流动 两种理想流动模式
①全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一。
②活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动， 完全没有反向混合。
实际反应装置常常介于两者之间。
⑸细胞生长的特点及细胞群体的描述
细胞的生长、代谢是一个复杂的生物化学过程 与一般的化学过程不同，这个反应体系的特点 是，它是一种多相、多组分、非线性的体系。
二、细胞浓度及其测量
细胞浓度在培养过程中是一个十分重要的参数。
在定量研究生物反应之前，首先需要说明微生 物的浓度即菌体浓度的表示方法。 （g/l, kg/m3)
直接测定法
细胞干重法：测量细胞浓度的最基本方法。 显微计数法：显微镜和血球计数器。 平板计数法：生理盐水稀释，记录菌斑。 浊度法：波长600-700nm范围测量。
化学工程还包括下面几个重要的内容
1、流体的输送及混合。核心问题是流体之间动量 的传递、机械能的转化。 2、热量的传递。生物反应器要考虑发酵热的传 出以及发酵罐温度的控制。 3、物质的传递。生物反应器内进行着各种物质 传递过程，这些传递过程的强度主要由浓度差 以及扩散的面积决定。
第二节 细胞生长及代谢过程动力学
如何使细胞生长的更快更好？
一、好的细胞株系 二、良好的环境条件
1、良好的物理环境：最主要的有温度、pH、溶氧量、合 适的混合强度以保证细胞与营养物的接触及细胞的悬 浮等。 2、合适的化学环境：要求有合适的各种营养物的浓度， 并限制各种妨碍生长代谢的有毒物质的浓度。
《生物反应器》课件
生物反应器的设计
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
REPORTING
生物反应器的结构设计
结构设计原则
生物反应器的结构设计应遵循简 单、稳定、高效的原则，确保工 艺流程的顺畅和生产效率的提高
。
结构种类
常见的生物反应器结构包括搅拌槽 式、固定床式、流化床式、膜式等 ，应根据生产需求和工艺特点选择 合适的结构形式。
结构设计要素
结构设计需考虑进出料、换热、消 泡、搅拌等装置的配置，以及反应 器容积和放大效应等因素。
PART 04
生物反应器的应用实例
REPORTING
工业生产中的应用实例
微生物发酵
利用生物反应器进行微生 物发酵，生产酒精、抗生 素、酶制剂等产品。
动物细胞培养
通过生物反应器大规模培 养动物细胞，生产疫苗、 单克隆抗体等生物药物。
植物细胞培养
利用生物反应器进行植物 细胞培养，生产天然植物 次生代谢产物。
生物反应器的应用领域
生物制药
用于生产各类抗体、疫 苗、细胞因子等生物药
物。
农业领域
用于植物细胞培养、动 物细胞培养等，以生产
转基因作物和动物。
环保领域
用于处理废水、废气等 环境污染问题，以及资
源回收和再利用。
食品工业
用于生产各类食品添加 剂、调味品、酶制剂等
。
PART 02
生物反应器的工作原理
REPORTING
定律。
酶的活性受到温度、pH值、底物浓度等多种因素的 影响，因此在生物反应器的操作过程中需要密切关注
这些参数的变化。
生物反应器的物质转化涉及到各种化学物质的 合成和分解过程，这些过程通常是由酶催化的 。
酶是生物反应器中最重要的物质转化催化剂之一 ，它能够加速化学反应的速率并降低活化能。
生物反应器原理 ppt课件
式定义为
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
PPT课件
24
CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
PPT课件
33
结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
PPT课件
34
微生物反应过程的得率系数
得率系数是对碳源等物质生成细胞或其它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
37
YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
PPT课件
作业 ：
PPT课件
39
PPT课件
40
微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
PPT课件
48
(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
PPT课件
49
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50
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51
PPT课件
52
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53
CHxOyNz,忽略其它微量元素P,S和灰分等,
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CHmOn+aO2+bNH3→cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH 2O+fCO2
式中:CHmOn_碳源的元素组成 CHxOyNz 细胞的元素组成 CHuOvNw产物的元素组成 对元素做元素平衡,得到如下方程:
C: 1=c+d+f
反应式为：
C6H12O6 + aO2 +bNH3 →c(C4.4H7.3N0.86O1.2) + dH2O+ eCO2
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结果：
▪则计算a 1.47 ,b 0.78 ,c 0.91 ,d 3.85 ,e 2 .
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微生物反应过程的得率系数
得率系数是对碳源等物质生成细胞或其它产物 的潜力进行定量评价的重要参数.
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YX/S =83.1/180=0.46( g/g) YX/O =83.1/(1.47*32)=1.77 ( g/g)
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作业 ：
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微生物反应动力学
描述微生物动力学的方法不是指生物分离成为不连续的 单个生物,而是指群体的存在.一般的,微生物在一定场 所中存在的形式是大量聚集.
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(3)希望所含有的参数,能够通过试验逐个确定. (4)模型应尽可能简单. 目前,常使用的确定论的非结构模型是Monod方程:
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生物反应器的设计
均相酶搅拌罐分批流加机械搅拌反应器超滤膜反应器分批流加连续通过膜将酶保留在反应固定化搅拌罐分批流加连续固定化酶悬浮于固定床连续广泛应用于固定化酶与固定化细胞中胞反应流化床分批连续靠流体流动使固定化酶悬浮在流体中膜式反应器连续通过膜将固定化酶保留在反应器分批连续适用于有气体参与的反5556游离酶
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
31
32
33
2. 挡板 ● 主要功能：
使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。 ● 尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 ● 位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
34
35
3. 换热装置 ● 主要功能：
将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。
43
结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，
一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型：
最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
44
(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
3
4
间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
生物反应器的设计
● 位置： 上伸轴，下伸轴
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2. 挡板 ● 主要功能：
使沿壁旋转流动的液体折向轴心， 消除搅拌时形成的旋涡。 ● 尺寸： 挡板的宽度通常为罐内径的1/8-1/12。 ● 位置： 在器壁设有几块垂直挡板。一般安装4-6块。
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3. 换热装置 ● 主要功能：
将发酵过程中生物氧化产生的热量和机械搅拌产生 的热量及时移去，以保证发酵的正常进行。
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结构原理： 塔身为圆柱形，空气在反应器内经数次分裂与聚集，
一方面延长了空气与培养液的接触时间，另一方面不断 形成新的气液界面，减小了液膜阻力，提高了溶氧效果。 类型：
最有代表性的是鼓泡式发酵罐和气升式反应器。
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(三) 鼓泡式发酵罐 又称空气搅拌高位反应器，通常有多层筛板。
原理：无须机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升 时的动力带动液体运动，达到混合效果。
8. 按催化剂类型： 微生物反应器（发酵罐），酶反应器
9. 按培养对象： 微生物细胞反应器，植物细胞反应器，动物细胞反应器
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间歇操作
特征： 反应物料一次加入一次卸出； 反应器物系的组成仅随时间而变化，即底物浓度和产 物浓度及细胞浓度只随反应时间而变化。 因此它是一个非稳态过程。
适合于：多品种，小批量，反应速率较慢的反应过程。
《生物反应器》课件
《生物反应器》课件
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计与操作 • 生物反应器的应用实例 • 生物反应器的未来发展 • 结论与展望
目录
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
要点一
总结词
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，根据不 同的分类标准，可以分为不同的类型。
要点二
详细描述
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，它能够 提供适宜的生物反应条件，如温度、压力、pH、溶氧等， 以支持微生物或细胞等的生长和代谢。根据不同的分类标 准，如生物反应器的结构、操作方式、用途等，可以分为 不同的类型。常见的生物反应器类型包括搅拌釜式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器等 。
生物反应器在工业发酵生产中的应用，可以提高生产效率、降低能耗和减少环境污 染，具有显著的经济和社会效益。
生物制药生产
生物制药生产是生物反应器的另一个重 要应用领域，通过生物反应器可以实现 高效、大规模的细胞培养和蛋白质表达
。
在生物制药生产中，生物反应器可以提 供适宜的细胞生长环境和营养物质，促 进细胞的增殖和蛋白质的表达，从而生 产出各种生物药物，如单克隆抗体、疫
苗、细胞因子等。
生物反应器在生物制药生产中的应用， 可以提高药物的产量和质量，降低生产 成本，缩短生产周期，为药物研发和生
产提供有力支持。
环境保护领域
生物反应器在环境保护领域也有广泛应用，如废水处理、废气处理、土 壤修复等。
通过生物反应器可以实现高效、低成本的废水处理，去除废水中的有害 物质，实现废水的净化。同时，生物反应器也可以用于废气处理和土壤
提高安全性
建立健全生物反应器的安全操作规 范，确保生产过程的安全可控。
• 生物反应器概述 • 生物反应器的设计与操作 • 生物反应器的应用实例 • 生物反应器的未来发展 • 结论与展望
目录
01
生物反应器概述
生物反应器的定义与分类
要点一
总结词
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，根据不 同的分类标准，可以分为不同的类型。
要点二
详细描述
生物反应器是一种用于实现生物反应过程的装置，它能够 提供适宜的生物反应条件，如温度、压力、pH、溶氧等， 以支持微生物或细胞等的生长和代谢。根据不同的分类标 准，如生物反应器的结构、操作方式、用途等，可以分为 不同的类型。常见的生物反应器类型包括搅拌釜式反应器 、鼓泡塔式反应器、固定床式反应器、流化床式反应器等 。
生物反应器在工业发酵生产中的应用，可以提高生产效率、降低能耗和减少环境污 染，具有显著的经济和社会效益。
生物制药生产
生物制药生产是生物反应器的另一个重 要应用领域，通过生物反应器可以实现 高效、大规模的细胞培养和蛋白质表达
。
在生物制药生产中，生物反应器可以提 供适宜的细胞生长环境和营养物质，促 进细胞的增殖和蛋白质的表达，从而生 产出各种生物药物，如单克隆抗体、疫
苗、细胞因子等。
生物反应器在生物制药生产中的应用， 可以提高药物的产量和质量，降低生产 成本，缩短生产周期，为药物研发和生
产提供有力支持。
环境保护领域
生物反应器在环境保护领域也有广泛应用，如废水处理、废气处理、土 壤修复等。
通过生物反应器可以实现高效、低成本的废水处理，去除废水中的有害 物质，实现废水的净化。同时，生物反应器也可以用于废气处理和土壤
提高安全性
建立健全生物反应器的安全操作规 范，确保生产过程的安全可控。
生物反应器设计课件
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高黏度流体的适当通气是非常困难的，在这些情况下需要多叶 片搅拌器及特殊设计的搅拌叶。
1.3 生物反应器的质量传递
三、气体搅拌生物反应器的质量传递
1. 鼓泡塔
从结构及操作的观点看，鼓泡塔是最简单的一种反应器，属于气体 搅拌反应器的种类。它们是简单的容器，容器内气体喷人液体中，没有 运动部件，容器内物料搅拌所需要的所有能量及培养所需要的氧均由喷 人容器中的气体(通常为空气)提供。
1 Yxs
1 Y m ax
xs
ma
qs
Ymax
qp Ymax
ma
xs
xs
基质和氧消耗德尔线性方程式生物反应器设计的重要 工具。在设计的过程中速率是进行人为预测的，而培养的 过程得率系数的改变则是用比生长速率的函数得到的。
1.2 生物反应器的生物学基础
一、细胞学动力学
细胞在分 批间歇式培养 的过程中，其 生长过程主要 分为了四个阶 段，分别为停 滞期、对数期 、减数期以及 衰退期。图为 典型的生长曲 线。
一般来说，反应器中发生的反应虽然有所不同，但最 后都可以通过精确的质量和能量衡算式计算出相应的物质 和反应程度。
化学平衡式可表示为：
CH mOl aNH 3 bO2 YbCH pOnN（q 生物量） YpCH rOS H t(产物） cH 2O dCO2
这里Yb、Yp分别是生物量和产物的相对单位碳源量的 产率，氮和氧的需求量分别用系数a和b表示，所产生的水 和二氧化碳系数分别为c和d。
max/（1 ks/S）（1 S/k1)
竞争性抑制：
maxS/ ks (1 S/k1) S
1.2 生物反应器的生物学基础
五、 环境因素对生长及代谢的影响
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✓ 缺点：分别测出各类细胞量是有困难的。
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离散型结构模型
➢ 细胞培养的实际情况。细胞之间不均一， 细胞内部多组分。在求解和分析中最繁 杂，应用较少。
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非结构非离散模型
简称均衡生长模型。
这种模型没有考虑细胞内部的结构，又不考虑细 胞之间有任何差异。因此，可以把细胞用“浓度” 这一个量来描述，即把细胞看成一种“溶质”， 从而简化了胞内外的传递过程分析，也简化了过 程的数学描述。
二、细胞的浓度及其测量
三、均衡生长模型
四、其它模型
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一、细胞生长的特点
（一）细胞培养
1、细胞培养的一般条件
温度 pH 渗透压 营养物 水 无菌条件 光 气体
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2、动物细胞培养的特殊条件
(1)血清：动物细胞离体培养常常需要血清。最 常用的是小牛血清。血清提供生长必需因子，如激 素、微量元素、矿物质和脂肪。 (2)支持物：大多数动物细胞有贴壁生长的习惯。 离体培养常用玻璃，塑料等作为支持物。 (3)气体交换：二氧化碳和氧气的比例要在细胞 培养过程中不断进行调节，不断维持所需要的气体 条件。
1、流体的输送及混合。核心问题是流体之间动量 的传递、机械能的转化。
2、热量的传递。生物反应器要考虑发酵热的传 出以及发酵罐温度的控制。
3、物质的传递。生物反应器内进行着各种物质 传递过程，这些传递过程的强度主要由浓度差 以及扩散的面积决定。
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第二节 细胞生长及代谢过程动力学
一、细胞生长的特点、描述方法的分类
➢ 结构模型考虑了胞内各结构单元的代谢及相互作用，
因此列出的方程参数多、复杂，不容易解，即使用
计算机求解也要花费相当的时间，因此在过程控制
中较少用这种模型。
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离散型非结构模型
Байду номын сангаас
✓ 把细胞分为几种不同形态或功能的类别。 总的细胞量是各类细胞量的和，各类细 胞有不同的生理功能。
✓ 对于培养中细胞有明显差别（形态、功 能）的过程用此种离散模型最好。
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3、植物细胞培养的特殊条件
(1)光照：离体培养的植物细胞对光照条件不严格， 因为细胞生长所需要的物质主要是靠培养基供给， 但光照不但与光合作用有关，而且与细胞分化有关。
(2)激素：植物细胞的分裂和生长特别需要植物激 素的调节，促进生长的生长素和促进细胞分裂的分 裂素是最基本的激素。
第一章 生物反应器
Bioreactor
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第一节 概述
➢ 各种细胞及其代谢产物的生产过程都要通过细胞 的培养，而细胞培养所用的装置就是反应器。
➢ 生物反应器的作用：就是要为细胞代谢提供一个 优化的物理及化学环境，使细胞能更快更好地生 长，得到更多的需要的生物量或代谢产物。
➢ 生物反应器：生物反应器是利用酶或生物体（如 微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反
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研究生物反应器的目的
1、确定为达到一定的生产目的需要多大的生物反应 器，什么样的结构更好。
2、对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的。
3、分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、 代谢等过程有更加深入的理解。
（生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一
个分支）
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化学工程还包括下面几个重要的内容
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4、微生物细胞培养的特殊条件
微生物多为单细胞生物，野生生存条件比较简单。 所以微生物人工培养的条件比动植物细胞简单得多。 其中厌氧微生物培养比好氧微生物复杂。
微生物对培养条件要求不如动植物细胞那样苛刻， 玉米浆、蛋白胨、麦芽汁、酵母膏等成为良好的微 生物天然培养基。
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细胞群体进行简化假设
是否考虑细胞内部复杂的结构 是否考虑细胞之间的差别
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4种模型
非结构模型
非离散模型
（最理想情况）
把细胞群体处理 为一种溶质
均衡生长（假设）
结构模型
细胞之间无差异， 细胞内有多个组分 （结构）
“平均细胞”近似
不考虑细胞结 离散模型 构，但各种细
胞不均一
（二）描述方法
动力学的研究目的是定量地描述过程 的速率以及影响过程速率的诸多因素。
生物过程动力学研究的主要问题是生物 反应的速率，特别是细胞生长的速率、各 种基质组分的消耗速率、代谢产物的生成 速率。
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常用的有：
⑴反应速率：单位时间物质浓度的变化量。如：细胞
的生长速率、代谢产物的生成速率等。
均衡生长（假设）
“平均细胞”近似
细胞之间不均一， 细胞内部多组分 （实际情况）
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非离散的结构模型
➢ 文献上简称结构模型。这种模型把细胞分为具有不 同生理功能的组分。
➢ 这种模型考虑到胞内不同的结构单元，对更精细地 分析细胞的代谢调控是很重要的，其分析结果对于 过程的优化往往具有指导作用。
实际反应装置常常介于两者之间。
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⑸细胞生长的特点及细胞群体的描述
➢ 细胞的生长、代谢是一个复杂的生物化学过程 ➢ 与一般的化学过程不同，这个反应体系的特点
是，它是一种多相、多组分、非线性的体系。 ➢ 细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命
活动，通常每毫升培养液中含104-108个细胞。 而且，像任何有生命的东西一样，细胞也经历 着新生、成长、成熟直至衰老的过程，在其生 命的循环中，也存在退化与变异的问题。
⑵得率系数：两种物质得失之间的计量比。如：菌体
的生成量对基质消耗量的得率系数。
⑶比速率：单位浓度的菌体、单位时间引起某物质浓
度的变化量。如：菌体的比生长速率、基质的比消耗 速率、产物的比生成速率。
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⑷理想流动和非理想流动
两种理想流动模式
①全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一。
②活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动， 完全没有反向混合。
应的装置系统，是一种生物功能模拟机，如发酵
罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。
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如何使细胞生长的更快更好？
一、好的细胞株系
二、良好的环境条件
1、良好的物理环境：最主要的有温度、pH、溶氧量、合 适的混合强度以保证细胞与营养物的接触及细胞的悬 浮等。
2、合适的化学环境：要求有合适的各种营养物的浓度， 并限制各种妨碍生长代谢的有毒物质的浓度。